DE19935630C2

DE19935630C2 - Verfahren und Anordnung zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen

Info

Publication number: DE19935630C2
Application number: DE1999135630
Authority: DE
Inventors: Ruediger Grunwald; Uwe Griebner; Edlef Buettner; Christian Lukas
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; APE Angewandte Physik und Electronik GmbH
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; APE Angewandte Physik und Electronik GmbH
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: DE19935630A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit Korrelationstechnik. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und eine spektral aufgelöste Detektion des zeitlichen Intensitätsverlaufs einzelner Impulse bei einer höheren als bisher erreichten Kompaktheit erzielt wird, wird dadurch gelöst, daß zur Separierung unterschiedlicher zeitlicher und spektraler Anteile der Strahlung die optische Selbstabbildung an periodischen, in einem definierten Winkel beta zur optischen Achse orientierten Phasen- und/oder Amplitudenmustern 2; 10; 11, deren Periode groß gegenüber der Wellenlänge ist, ausgenutzt wird und auf einer in einem definierten Winkel alpha zur optischen Achse orientierten Detektorebene 5 während einzelner Laserimpulse simultan sowohl die Information über die Zeitabhängigkeit der spektralen Verteilung und die Kohärenzlänge aus dem resultierenden zweidimensionalen Intensitätsmuster ausgelesen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7.

Für vielfältige Anwendungsbereiche von Lasern mit ultrakurzen Impulsen wie Materialbearbeitung, Prozeß kontrolle, Laserspektroskopie, Medizin, Umweltsensorik und Kommunikation besteht zunehmender Bedarf an zuverlässigen und kompakten Single-Shot-Meßgeräten für die simultane Erfassung der relevanten Parameter der Strahlung. Echtzeit-Diagnostik ist essentiell für die Optimierung von Hochleistungslasersystemen, speziell in Oszillator-Verstärker-Anordnungen mit adaptiver Reso natoroptik, und die Kontrolle der nichtlinearen Strahl propagation in solchen Systemen. Wachsendes Interesse an Ultrakurzzeit-Meßtechnik ist auch in neuen Feldern wie Quantenkontrolle mit lernendem Feedback zu verzeichnen.

Nach dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Anordnungen zur Messung des zeitlichen Verlaufs von Phase, Intensität und Spektrum, bekannt.

Nachteilig ist, daß diese Verfahren aufwendig und von begrenzter Zeitauflösung sind und bei manchen Verfahren Folgen gut reproduzierbarer Impulse benötigt werden. Für die Charakterisierung nicht-reproduzierbarer Impulse sowie die Erfassung von Parameterstreuungen sind Single-Shot-Messungen jedoch unerläßlich.

Die bekannten Meßanordnungen lassen sich in zwei Grundvarianten einteilen, bei denen entweder jeweils zwei Teilstrahlen miteinander kollinear überlagert werden und der optische Weg in einem Arm verändert werden muß (typischerweise nicht für Einzelimpulse geeignet) oder nicht-kollinear (gekreuzt) überlagert werden (für Einzelimpulse geeignet).

Die lineare Überlagerung der Teilstrahlen erbringt eine interferometrische Autokorrelation, die eine Aussage über die zeitliche Kohärenz des Laserimpulses liefert und mit inkohärenten Signalanteilen gefaltet sein kann.

Bei Autokorrelationsmessungen [S. L. Shapiro (Ed.): Ultrashort Light Pulses. - Springer-Verlag, Berlin 1977] mit nichtlinearer Überlagerung, d. h. für Mehrphotonenprozesse ausreichender Intensität, werden die Anteile des Laserstrahls sequentiell oder simultan in geeigneten Medien überlagert und über optisch wirksame nichtlineare Wechselwirkungen wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), Zweiphotonen- Fluoreszenz (TPF) oder Zweiphotonen-Absorption (TPA) detektiert. Die Information über die Pulslänge wird sowohl bei der kollinearen als auch bei der nicht kollinearen Überlagerung der Strahlen in eine räumliche Information (Länge einer Wechselwirkungszone oder Weglänge einer Verschiebung) transformiert und optisch oder elektrisch ausgelesen.

Eine komplette Impulscharakterisierung ist mittels aufeinander-folgender Messungen des Spektrums, der Intensitäts- und Phasenautokorrelation möglich [J.-C. Diels, J. J. Fontaine, I. C. McMichael, F. Simoni: Control and measurement of ultrashort pulse shapes (in amplitude and phase) with femtosecond accuracy. - Appl. Opt. 24 (1985), 1270-1282]. Bei letzterer wird die Phase sequentiell interferometrisch gemessen, wobei der Bereich der zeitlichen Kohärenz durch Phasenver schiebung zwischen den Impulsen abgetastet wird.

Spezielle nichtlinear-optische Meßtechniken nutzen optisches Gating bei der FROG-Methode (Frequency Resolved Optical Gating [D. J. Kane, R. Trebino: Single-shot measurement of the intensity and phase of an arbitrary ultrashort pulse by using frequency resolved optical gating. - Opt. Lett. 18 (1993), 823- 825.] Das Gating kann über schnelle Polarisations drehung oder andere Effekte realisiert werden. Zur Auswertung müssen iterative Algorithmen eingesetzt werden.

Beim sogenannten SPIDER-Verfahren (C. Iaconis, I. A. Walmsley: Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction of ultrashort optical pulses. - Opt. Lett. 23 (1998), 792-794) wird ein gechirpter Impuls (mit durchlaufender Frequenz) mit einem Paar von nicht-gechirpten Anteilen in einem nichtlinearen Kristall überlagert, wobei Mehrphotonenprozesse ausgenutzt werden (zum Beispiel Upconversion oder SHG). Auf diese Weise wird (ähnlich wie bei einem spektralen Shearing Interferometer) ein spektrales Interferogramm erzeugt, wobei keine iterativen Verfahren zur Auswertung gebraucht werden.

SPIDER, FROG und Interferometrische Autokorrelation (IAC) erreichen im Bereich derzeit kürzester Impulse (um 5 fs) ihre Auflösungsgrenzen.

Ein Zeit-Frequenz-Analogon zum Youngschen Doppelspalt experiment ist für die Multi-shot Messung der spektralen Phase verwendet worden [K. C. Chu, J. P. Heritage, R. S. Grant, K. X. Liu, A. Dienes, W. E. White, A. Sullivan: Direct measurement of the spectral phase of femtosecond pulses. - Opt. Lett. 20 (1995), 904-906]. Dabei selektiert ein Paar von Spalten in einer undurchsichtigen Platte in einem Impuls-Stretcher (Glas-Block, Mehrfachdurchlauf) zwei Raumfrequenzen, die in ihrer Überlagerung ein Beating erzeugen. Eine Abstandsvariation der Spalte führt entsprechend zu einem Satz von Beat-Kurven. Die durch mehrere hintereinander propagierende Impulsreplika erzeugte Diffraktion einer beleuchtenden ebenen Welle wurde bei ns-Laserimpulsen ausgenutzt, um sinusförmige Inter ferenzmuster zu erzeugen und diese mit einem Detektor aufzunehmen [M. J. Wardlaw, A. VanderLugt: Detection of short pulses by Fresnel preprocessing. - Appl. Opt. 33 (1994), 270-279].

Bekannt sind des weiteren Techniken zur Bestimmung des Kohärenzgrades auf der Basis von Selbstabbildungs- Effekten an rotierten 2D-Gittern, die aus Frage stellungen der stellaren Interferometrie heraus entwickelt wurden [J. C. Barreiri, J. Ojeda-Castaneda: Degree of coherence: a lensless measuring technique. - Opt. Lett. 18 (1993), 302-304 und dort zitierte Literatur].

Die Einführung einer transversalen Zeitverzögerung in einen Referenzimpuls durch ein Gitter wird in einer weiteren bekannten technischen Lösung zur Impulskorre lation verwendet [K. Oba, P.-Ch. Sun, Y. T. Mazurenko, Y. Fainman: Femtosecond Single-Shot Correlation System: A Time-Domain Approach. - Appl. Opt. 38 (1999), 3810- 3817]. Dabei werden Signal und Referenzimpuls in einem nichtlinearen Kristall gemischt, so daß die SHG das Zeitprofil als räumliche Information aufgeprägt bekommt. Dabei ist das Zeitfenster durch Größe der Gitterapertur begrenzt.

In der DE 31 08 177 C2 wird ebenfalls eine transversale Zeitverzögerung mittels Gitter hervorgerufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Ver fahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen bei einem kompakten und extrem einfachen Aufbau auf der Basis einer Korrelatortechnik eine zugleich zeitlich und spektral aufgelöste Messung bei Einzelschußbetrieb erzielt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine Anordnung gemäß Anspruch 7 gelöst.

Verfahren und Anordnung sind dadurch gekennzeichnet, daß zur Separierung unterschiedlicher zeitlicher und spektraler Anteile der Strahlung die optische Selbst abbildung (Talbot-Effekt) an periodischen, in einem definierten Winkel zur mittleren Ausbreitungsrichtung der Strahlung (im folgenden optische Achse genannt) orientierten oder in spezieller Weise aperiodischen Phasen- und/oder Amplitudenmustern, deren Periode groß gegenüber der Wellenlänge ist, (im folgenden optische Array-Generatoren genannt, ausgenutzt wird und auf einer in einem definierten Winkel zur optischen Achse orientierten Detektorebene während der einzelnen Laserimpulse simultan sowohl die Information über den Zeitverlauf der spektralen Verteilung als auch über die Kohärenzlänge oder über den Intensitätsverlauf aus dem resultierenden Intensitätsmuster ausgelesen werden kann.

Mit integrierten dispersiven Komponenten, vorzugsweise dispersiven Gittern, kann eine zusätzliche spektrale Selektivität erzielt werden.

Die Funktionsweise kann linear oder nichtlinear gewählt werden, wobei das Schema im ersten Fall einem interferometrischen Autokorrelator mit spektraler Auflösung entspricht und Daten über die spektrale Phasenautokorrelation bzw. die zeitliche Kohärenz liefert, im zweiten Fall dagegen die spektral aufgelöste Intensitätsverteilung direkt auf dem Detektor, vorzugsweise einer Zeilenkamera, ausgibt. Zur Verringerung der Strahlbeeinflussung durch Dispersions effekte werden als Array-Generatoren entweder Mikro spiegel-Arrays oder Mikrolinsen-Arrays, vorzugsweise in Dünnschicht-Ausführung auf einem dünnen Substrat, verwendet, welche in einer oder mehreren Raumrichtungen variierende Abstände der Einzelelemente aufweisen können.

Beleuchtet man ein periodisches transparentes oder reflektierendes Phasen- und/oder Amplitudenmuster der Periode p mit einer ebenen kohärenten Welle der Wellenlänge λ, so entstehen infolge konstruktiver Interferenz der gebeugten Anteile (Talbot-Effekt) charakteristische Überlagerungsmuster in verschiedenen Abständen.

In ausgezeichneten Entfernungen

d_T = 2knp²/λ (1)

(k = ganze Zahl, n = Brechzahl),
den sogenannten Talbot-Distanzen, kommt es in den zugehörigen Ebenen senkrecht zur optischen Achse (Talbot-Ebenen) jeweils zur Reproduktion des originalen Amplituden- und Phasenmusters. Bei Messungen in Luft kann näherungsweise mit n = 1 gerechnet werden.

Wegen der Wellenlängenabhängigkeit dieses Effekts enthält auch die axiale Verteilung spektrale Infor mationen (die Reproduktion der Muster erfolgt je nach Wellenlängenanteil in unterschiedlichen Tiefen).

Ferner werden bei der konstruktiven Interferenz jeweils unterschiedliche Winkelanteile der Strahlung wirksam, die wiederum unterschiedlichen Laufzeiten entsprechen.

Stellt man eine Detektoreinrichtung (Kamera im linearen Fall bzw. nichtlineares Medium und Kamera im nichtlinearen Fall) derart schräg in den Strahlengang, daß eine der Talbot-Ebenen geschnitten wird, so kommt es zum einen zu einer Separation der spektralen Anteile je nach Tiefe (spektrale Auflösung) und zur Ausprägung einer einhüllenden Verteilung des Intensitätskontra stes, die, je nach Variante, Informationen über Phasen- bzw. Intensitätsverlauf liefert (Zeitauflösung).

Der Verkippungswinkel α der Detektorebene gegenüber der optischen Achse ist dabei so zu wählen, daß alle spektralen Anteile des Laserimpulses erfaßt werden, wobei sich die zu unterschiedlichen Wellenlängen gehörigen Entfernungen aus Gleichung (1) ermitteln lassen. Es kann auch der Array-Generator gegenüber der Achse um einen Winkel β verkippt werden. Durch Änderung des Kippwinkels β kann dann zugleich die in der Detektorebene ausgelesene spektrale Tiefe durchgestimmt werden. Einem Kippwinkel β entspricht bei einem Array- Generator mit streng periodisch angeordneten Einzel elementen der Periode p eine resultierende effektive Periode (in der Projektion einer einfallenden ebenen Welle) von

p' = pcosβ, (2)

wobei stets p'/p ≦ 1 gilt.

Die Ebene der Selbstabbildung ist dann ebenfalls im Winkel β gegenüber der optischen Achse verkippt, und ihre Distanz zum Array-Generator beträgt in diesem Fall

d'_T = 2knp'²/λ = 2knp²(cosβ)²/λ (3)

Werden Array-Generator und Detektorebene gegenläufig gegenüber der optischen Achse verkippt, kann die spektrale Tiefe entsprechend vergrößert bzw. können jeweils geringere Kippwinkel gewählt werden.

Eine Variation des Kippwinkels bei reflektierenden Array-Generatoren (z. B. Mikrospiegel-Array) erfordert ein Nachführen des Detektorsystems.

Bei transmittierenden Array-Generatoren (z. B. Array aus Phasenelementen oder Mikrolinsen) ist eine durch die Substratdicke hervorgerufene unterschiedliche seitliche Versetzung des Strahls in Abhängigkeit von der Winkel stellung zu berücksichtigen, was bei dünnen Substraten und kleinen Winkeln unerheblich ausfällt.

Verwendet man Array-Generatoren mit von Element zu Element stetig variierendem (wachsendem bzw. geringer werdendem) Abstand der Mitten der Einzelelemente anstelle von rein periodischen Anordnungen, so werden derart modifizierte Selbstabbildungseffekte hervorge rufen, daß eine zur mittleren Ausbreitungsrichtung der Strahlung senkrechte Anordnung der Detektorebene ermöglicht wird, da effektiv eine Verkippung der der Talbotebene analogen Ebene der reproduzierten Amplituden- und/oder Phasenmuster im Raum auftritt. Die entlang dieser Ebene entstehenden Intensitätsmuster sind dann auch aperiodisch, was bei der Auswertung zu berücksichtigen ist.

Zur Maßstabsanpassung können zusätzliche abbildende Optiken verwendet werden. Wenn vor dem Detektor zusätzliche Abbildungsoptiken eingesetzt werden, muß der Aufbau so erfolgen, daß keine Verfälschung der Intensitätsmuster durch die Optik selbst erfolgt.

Zweckmäßigerweise kann ein Teil des Strahls noch vor dem periodischen Phasen- und/oder Amplitudenmuster durch einen Strahlteiler abgetrennt und entweder mit dem durch Selbstabbildung geformten Intensitätsmuster anschließend überlagert oder als Referenzstrahl für eine elektronische Signalverarbeitung benutzt werden.

Zur Auswertung der Kontrastverteilung kann man Schnitte in der zur Kipprichtung senkrechten Raumrichtung verwenden, wobei man jeweils bei gleichem Spektral anteil arbeiten kann. Insgesamt ergibt sich ein Datenfeld aus Spektralkoordinaten und zugehörigen Kontrastverteilungen. Beim Algorithmus der Auswertung sind spezifische Verzerrungen durch unterschiedliche Winkelverhältnisse für unterschiedliche Tiefen (Wellenlängen) und (bei nichtlinear-optischer Überlage rung) Spektralabhängigkeiten von Mehrphotonenprozessen zu berücksichtigen.

Durch Ortsabhängigkeit des erzeugenden Amplituden- und/oder Phasenmusters können zusätzliche Verbesse rungen erzielt werden, da hiermit die räumliche Verteilung der Interferenzmuster verändert werden kann. Insbeondere können Meßbereichserweiterungen vorgenommen und Korrekturfunktionen, z. B. bei nicht-planarer Beleuchtung, integriert werden.

Vorteilhafterweise können als Array-Generator elektrisch adressierbare Spatial Light Modulators (SLM) auf der Basis von Flüssigkristallmatrizen oder elektrisch steuerbarer Mikrospiegel-Arrays verwendet werden, wobei Änderungen der Periode oder aperiodische Muster durch Zusammenfassen von diskreten Elementen realisiert werden können.

Wenn in den Strahlengang zwischen dem Phasen- und/oder Amplitudenmuster zur Erzeugung der Selbstabbildung und dem Detektor bzw. dem zur nichtlinearen Überlagerung verwendeten Element eine vorzugsweise transmittierende Probe eingebracht wird, kann deren zeitabhängige Frequenzverschiebung (Chirp) ermittelt werden. Infolge der frequenzabhängigen Brechzahl der Probe kommt es nach Gl. (1) bzw. Gl. (3) zu einer unterschiedlichen axialen Verschiebung der Talbot-Ebenen.

Das Verfahren eignet sich speziell zur Erfassung der von optischen Elementen in fs-Lasersystemen verur sachten Gruppen-Geschwindigkeits-Dispersion (GVD) und somit auch zur Qualitätskontrolle.

Bei bekannter Dispersion der Probe wiederum läßt sich aus dem detektierten Intensitätsmuster der Chirp des Lasers ermitteln.

Verfahren und Anordnung zeichnen sich im Vergleich zu bekannten Verfahren und Anordnungen durch einen sehr hohen Grad an Kompaktheit und Einfachheit aus.

In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen beschrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher dargestellt. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1a die schematische Darstellung der Anordnung zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit einem Mikrolinsen-Array, einem nicht linearen Medium, einer verkippten Detektorebene und einer CCD-Kamera,

Fig. 1b die schematische Darstellung der Anordnung nach Fig. 1a ohne nichtlineares Medium zur Verdeut lichung der Laufzeitunterschiede entsprechend unterschiedlicher Winkel,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Anordnung nach Fig. 1a mit einem verkippten Mikrolinsen-Array,

Fig. 3 die schematische Darstellung der Anordnung nach Fig. 1a mit einem Mikrospiegel-Array konstanter Periode,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Anordnung nach Fig. 3 mit einem elektrisch adressierbaren Array und

Fig. 5 die schematische Darstellung der Anordnung nach Fig. 1a mit einem zusätzlichen Element zur Erzeugung eines Chirps.

Ausführungsbeispiel 1

Das Ausführungsbeispiel 1 zeigt in der Fig. 1a eine erfindungsgemäße Anordnung zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen, bei der eine optische Selbstabbildung an einem senkrecht zur optischen Achse in den einfallenden Strahl 1 eingebrachten breitbandig transmittierenden Array aus Mikrolinsen 2 mit gleichbleibender Periode ausgenutzt wird. Der durch Beugung am Array-Generator beeinflußte Strahl 3 wird mit verändertem Winkel spektrum propagiert und über die Anregung von Zweiphotonenfluoreszenz in einem geeigneten Medium 4, zum Beispiel einer LiNbO₃-Schicht, nichtlinear-optisch vorverarbeitet. Auf der in einem definierten Winkel α zur optischen Achse verkippten Detektorebene 5 befindet sich eine CCD-Matrixkamera 6, die das resultierende zweidimensionale Intensitätsmuster aufnimmt. In Fig. 1a ist dies schematisch gezeigt durch Darstellung von drei einzelnen Teilmustern 7, 8, 9, die drei unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 entsprechen und die die verkippte Detektorebene 5 an unterschied lichen Stellen schneiden. Wird die Anordnung ohne nichtlineares Medium 4 betrieben, wird mittels interferometrischer Autokorrelation die Kohärenzlänge des Laserimpulses gemessen. Die Kontrastfunktion der Intensitätsmuster wird von den Laufzeitunterschieden erzeugender Strahlanteile beeinflußt, die ihren Ursprung an unterschiedlichen Elementen des Array- Generators haben (Fig. 1b). Der Wegunterschied Δx, der bei der Interferenz der von jeweils zwei benachbarten Elementen ausgehenden Strahlanteile in der k-ten Talbot-Ebene auftritt, beträgt näherungsweise (für n = 1)

Δz = (p² + 4k²p⁴/λ²)^1/2 - 2kp²/λ (4)

und die entsprechende Laufzeitdifferenz

Δt = Δz/c (5)

Für Nachbarelemente, die um das m-fache der Periode p voneinander entfernt sind, gilt anstelle von Gl. (4) die allgemeinere Beziehung

Δz = (m²p² + 4k²p⁴/λ²)^1/2 - 2kp²/λ (6)

Eine konstruktive Interferenz kann auch für spektral gleiche Anteile nur stattfinden, wenn die Impulsdauer Δτ größer als Δt ist. Somit wird das Interferenzmuster in einer spektral konstanten Schnittrichtung in der Detektorebene je nach Impulsdauer von unterschiedlich vielen interferierenden Anteilen erzeugt. Der Kontrast verringert sich also in Richtung kürzerer Impulse und kann als Maß für die Impulsdauer dienen. Die zeitliche Auflösung kann durch die Wahl der Periode p des Array generators eingestellt werden.

Damit kann während einzelner Laserimpulse simultan so wohl die spektrale Verteilung als auch (bei nichtline arer Verarbeitung) der Zeitverlauf des ultrakurzen Impulses gemessen werden.

Ausführungsbeispiel 2

Das Ausführungsbeispiel 2 gemäß Fig. 2 ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 1, nur daß auch das als Array-Generator fungierende breitbandig transmit tierende Mikrolinsen-Array 2 gegenüber der Senkrechten zur optischen Achse um einen Winkel β verkippt wird.

Ausführungsbeispiel 3

Das Ausführungsbeispiel 3 gemäß der Darstellung in der Fig. 3 ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsbei spiele 1, 2, wobei in Reflexion gearbeitet wird und als Array-Generator ein breitbandig reflektierendes Mikro spiegel-Array konstanter Periode 10 Verwendung findet.

Ausführungsbeispiel 4

Das Ausführungsbeispiel 4 gemäß Fig. 4 ist ähnlich aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel 3, wobei als Array-Generator ein elektrisch adressierbares Mikro spiegel-Array 11 Verwendung findet, dessen Periode gesteuert werden kann.

Ausführungsbeispiel 5

Das Ausführungsbeispiel 5 nach Fig. 5 ist ähnlich aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel 1 (siehe Fig. 1a), wobei in den Strahlengang ein zusätzliches transmittierendes optisches Element 12 zur Erzeugung eines definierten Chirps eingeführt wird. Damit läßt sich eine aus den Intensitätsmustern extrahierbare spektrale Interferenz erzeugen, aus der der Chirp des Lasers bestimmt werden kann. Die durch das optische Element 12 verursachte Änderung der optischen Wege wird durch Translation der Detektorebene 5 kompensiert.

Ausführungsbeispiel 6

Das Ausführungsbeispiel 6 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 1, nur daß anstelle des Mikrolinsen-Arrays als Array-Generator ein elektrisch adressierbarer Spatial Light Modulator (SLM) auf der Basis einer Flüssigkristall-Matrix in Transmission eingesetzt wird.

Ausführungsbeispiel 7

Das Ausführungsbeispiel 7 (nicht dargestellt) ist ähn lich aufgebaut wie die Ausführungsbeispiele 1 bis 6, wobei der Detektorebene 5 ein dispersives Gitter vorgeschaltet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der beschriebenen Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

einfallender Strahl

2

Mikrolinsen-Array

3

beeinflußter Strahl

4

nichtlineares Element/Medium

5

Detektorebene

6

CCD-Matrixkamera (Detektor)

7

Teilmuster

8

Teilmuster

9

Teilmuster

10

Mikrospiegel-Array

11

Mikrospiegel-Array

12

Transmittierende Probe/Optisches Element
α Neigungswinkel Detektorebene
β Neigungswinkel Phasen- und/oder Amplitudenmuster
λ1 Wellenlänge
λ2 Wellenlänge
λ3 Wellenlänge
P, P' Periode

Claims

1. Verfahren zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Korrelatortechnik, dadurch gekennzeichnet, daß zur Separierung unterschiedlicher zeitlicher und spektraler Anteile der Strahlung die optische Selbstabbildung an periodischen, in einem definierten Winkel (β) zur optischen Achse orientierten Phasen- und/oder Amplitudenmustern (2; 10; 11), deren Periode groß gegenüber der Wellenlänge ist, ausgenutzt wird und auf einer in einem definierten Winkel (α) zur optischen Achse orientierten Detektorebene (5) während einzelner Laserimpulse simultan sowohl die Information über die Zeitabhängigkeit der spektralen Verteilung, die Kohärenzlänge und/oder den zeitlichen Intensitäts verlauf aus dem resultierenden zweidimensionalen Intensitätsmuster ausgelesen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Detektion eine Überlagerung durch Selbstabbildung in einem nichtlinearen Medium (4) vorgenommen und der zeit liche Intensitätsverlauf optisch oder elektrisch über Mehrphotonenprozesse detektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Strahls noch vor dem periodischen Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) durch einen Strahlteiler abgetrennt und mit dem durch Selbstabbildung geformten Intensitätsmuster anschließend optisch überlagert oder ein elektronisches Referenzmuster erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überlagerung durch Selbstabbildung in einem geeigneten nichtlinearen Medium (4) als auswertbares Signal eine Zwei-Photonen-Fluoreszenz angeregt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überlagerung durch Selbstabbildung in einem geeigneten nichtlinearen Medium (4)als auswertbares Signal die zweite Harmonische (SHG) der Laser strahlung angeregt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) zur Erzeugung der Selbstabbildung und dem Detektor (5; 6) bzw. dem zur nichtlinearen Überlagerung verwendeten Medium (4) eine transmittierende Probe (12) eingebracht wird, um deren Dispersion oder den Chirp des Lasers zu bestimmen.

7. Anordnung zur zeitlich und spektral aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Korrelatortechnik, dadurch gekennzeichnet, daß zur Separierung unterschiedlicher zeitlicher und spektraler Anteile der Strahlung periodische Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) derart in einem definierten Winkel (β) zur optischen Achse angeordnet sind, daß eine optische Selbstabbildung auf eine in einem definierten Winkel (α) zur optischen Achse befindliche Detektorebene (5) erfolgt und damit während einzelner Laserimpulse simultan sowohl die Information über die Zeitabhängigkeit der spektralen Verteilung, die Kohärenzlänge und/oder den zeitlichen Intensitäts verlauf aus dem resultierenden zweidimensionalen Intensitätsmuster ausgelesen wird.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (5) ein nichtlineares Medium (4) angeordnet ist oder als Detektormaterial ein nichtlineares Medium eingesetzt ist, so daß aus dem bei Überlagerung durch Selbstabbildung geformten Intensitätsmuster (7, 8, 9) der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserimpulses optisch oder elektrisch über Mehr photonenprozesse detektiert wird.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler derart vor dem periodischen Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) im Strahlengang angeordnet ist, daß der hierdurch separierte Teil der Strahlung mit dem durch Selbstabbildung geformten Intensitätsmuster (7, 8, 9) anschließend optisch überlagert wird oder ein elektronisches Referenzmuster erzeugt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als periodisches Amplitudenmuster für die Selbstabbildung ein breitbandig reflektierendes Mikrospiegel-Array (10) angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als periodisches Phasenmuster ein breitbandig transmittierendes Array aus Phasenelementen wie ein Mikrolinsen-Array (2) angeordnet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das angeordnete, geeignete nichtlineare Medium (4) eine Zwei- oder Drei-Photonen-Fluoreszenz erzeugt.

13. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das angeordnete, geeignete nichtlineare Medium (4) die zweite Harmonische (SHG) der Laserstrahlung erzeugt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) zur Erzeugung der Selbstabbildung senkrecht zur optischen Achse steht und die Detektorebene (5) mit dem Detektor (6) gegenüber der optischen Achse um einen definierten Winkel (α) verkippt ist, so daß durch Änderung des Kippwinkels (α) sowohl die wirksame Periode (p') verändert als auch der detektierte Spektralbereich so eingestellt ist, daß die gesamte spektrale Breite des Impulses überdeckt ist.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) zur Erzeugung der Selbstabbildung gegenüber der optischen Achse um einen definierten Winkel (β) verkippt wird, so daß durch Änderung des Kippwinkels (β) sowohl die wirksame Periode (p') verändert als auch der detektierte Spektralbereich so eingestellt werden können, daß die gesamte spektrale Breite des Impulses überdeckt wird, wobei die Detektorposition bei Änderungen der Richtung der optischen Achse oder Strahlverset zungen korrigiert wird.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) zur Erzeugung der Selbstabbildung nicht homogen strukturiert ist, sondern der Abstand der Elemente in einer oder mehreren Raumrichtungen von Element zu Element variiert.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) zur Erzeugung der Selbstabbildung durch eine elektrisch adressierbare Matrix optischer Einzelelemente wie ein steuerbares Spiegel-Array (11) gebildet wird.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Phasen- und/oder Amplitudenmuster (2; 10; 11) zur Erzeugung der Selbstabbildung und dem Detektor bzw. dem zur nichtlinearen Überlagerung verwendeten Element (4) eine transmittierende Probe (12) eingebracht ist, um deren Dispersion oder den Chirp des Laserimpulses zu bestimmen.